信息化養殖下的電子耳標設計

蔣 芳，茅晨曉，柏 娜

（安徽大學 電子信息工程學院，安徽 合肥 230601）

隨著RFID（Radio Frequency Identification）[1-3]、物聯網[4]和大數據的運用，信息化養殖得到了長足發展，但是國內奶牛養殖的規模化和信息化管理水平仍與國外有較大差距。一系列精準養殖的設備和解決方案被以色列Afikim等公司所壟斷，國內平均每1 000頭奶牛需要35名管理人員，而以色列和歐洲等發達國家僅為5名。目前國內奶牛主要以中國荷斯坦奶牛為主，存欄量在1 600萬頭左右[5]，但是大型集約化養殖場仍然較少，因此需要大力推進和開展信息化養殖設備的鋪設和信息化養殖系統的搭建。文獻[1-3]中提及的電子耳標大多僅用于奶牛身份識別，文獻[6]作者基于ZigBee技術來搭建大棚農業智慧系統。本文設計的電子耳標包含RFID電子標簽、計步傳感器和ZigBee終端，用于替代Afikim等公司的昂貴解決方案，其系統設計如圖1所示。

圖1 系統結構框架

奶牛的健康狀況和發情狀態影響其產奶量，可以通過監測奶牛的運動量并通過算法判斷得到，且計步器可用于檢測奶牛的運動步數并量化奶牛運動量。牧場的信息化管理依托ZigBee無線通信技術，搭建基于星型拓撲結構的ZigBee網絡，終端設備接收信號并發送到數據平臺，同時牧場配備聲音采集裝置和圖像識別裝置。圖像識別技術分析奶牛的身體關鍵部位，結合來自電子耳標的數據和奶牛叫聲聲譜分析，綜合分析奶牛健康狀況，從而進行BCS（Body Condition Scoring）評分，對奶牛群體管理做出決策。

1 GJB7377.1標準協議與電子標簽數字基帶

1.1 空中接口協議參數

RFID標簽的數字基帶基于GJB7377.1協議設計，用以標識牧場中的奶牛個體并可用于溯源奶牛信息，表1中列出了協議相關參數。采用的TPP編碼格式是對于傳統PIE[7]編碼方式的改進，將閱讀器發送的數據視為隨機信號，則TPP編碼信號符合馬爾科夫過程[8]，其功率譜密度為

表1 國家軍用標準GJB7377.1協議參數

可以得到其第一零點帶寬內包含了大于90%的能量。在相同碼速率下，單個TPP碼元的平均能量高于PIE 碼元。相同信號帶寬下，TPP 編碼相比PIE 編碼具有更高的碼速率。

RFID標簽由標簽天線和標簽芯片兩部分組成，數字基帶是標簽芯片中最重要的模塊。超高頻（920-925 MHz）電子標簽所設計的芯片面積可以很小[9]，能有效降低電子耳標內部空間的占用。當電子標簽芯片靠近閱讀器，電子標簽天線接收來自閱讀器的射頻信號并從中獲取能量供標簽初始化以及響應工作。牧場中的每一頭奶牛擁有各自唯一的編號并存儲在芯片存儲器中，當標簽時再次使用，內部信息可以被擦除并再次寫入。

1.2 數字基帶設計

數字基帶作為標簽中的核心部分，采用模塊化的設計架構，分為12個模塊[10]，包括初始化模塊、解碼模塊、命令檢測模塊、接收模塊、CRC校驗模塊、標簽狀態跳轉模塊、發送模塊、編碼模塊、隨機數產生模塊、MTP存儲器控制模塊、分頻模塊和功耗管理模塊。

標簽中的數字基帶處理來自模擬射頻前端解調得到的數據，首先進行解碼，分頻模塊根據載波信號將頻率分割，作為時鐘信號用于解碼模塊的信號長度檢測。在GJB7377.1 協議中，前向數據鏈路采用TPP編碼方式，根據其數據幀結構，需要先檢測到前導碼才能開始對數據幀內容進行解碼。對于TPP編碼格式，其前導碼由一段12.5 μs的低電平信號作為分隔符，緊接著由兩個符號長度為3:2的校準符組成，根據協議規定，校準符一和校準符二的長度分別為6 Tc和4 Tc，一般Tc為6.25 μs，根據下面的公式得到三個參考時間用于TPP數據解碼，其中N_cal1和N_cal2分別是兩個校準符的長度。

每個TPP碼元由一段低電平作為終止信號，時鐘信號檢測兩個相鄰上升沿脈沖的時間間隔即可得到單個TPP碼元信號的長度，解碼過程如圖2 所示。每完成一個符號的解碼，就產生一個脈沖信號clk_tpp，并用于命令檢測模塊和接收模塊，同時對數據進行CRC校驗。

圖2 TPP解碼過程

CRC 校驗模塊基于16 位的線性反饋移位寄存器（LFSR）設計，選擇CRC16 校驗生成的多項式為

當數據的CRC校驗結果無誤，則認為接收到的信息dec_data正確，將數據發送至命令檢測模塊，為方便后續模塊調用，檢測模塊將命令重新編碼為5 bit長度的信號，并根據接收到的5 bit長度命令控制標簽狀態的跳轉。標簽跳轉狀態劃分為7個狀態，分別為準備、仲裁、應答、鑒別、開放、安全和滅活7個狀態，其跳轉順序如圖3所示。存儲器信息的讀取發生在應答狀態，在數據發送完成時，標簽開始判斷是否需要安全鑒別，經過安全狀態后，標簽被滅活，等待下一次上電工作。偽隨機數用于防碰撞算法中篩選特定的標簽進行通信。偽隨機數同樣采用線性反饋移位寄存器設計，由標簽初始化時奶牛身份碼的CRC校驗結果作為寄存器的初始值。

圖3 標簽狀態轉圖

LFSR內部采用異或結構，其輸出結果的變化規律取決于反饋節點的設置。16位LFSR具有最大216個不同狀態，考慮到若初始值為16’h0000時，二進制數與0異或仍是其本身，下一次的迭代結果較當前的結果不會發生變化，因此寄存器會進入無限循環，應避免這種狀況，故理想的最大輸出狀態為216-1。使得最大輸出狀態數為216-1的多項式需要是本原多項式，本文選擇抽頭位置為[15,4,2,1]，對應的本原多項式為

對應的線性反饋移位寄存器結構如圖4所示，最右端的一位數據作為輸出偽隨機數。每頭奶牛的身份信息用2 字節16 bit 長度記錄，每頭奶牛的身份ID 唯一，該數據經CRC16 校驗后的校驗碼也各不相同，將其作為16位LFSR的初始值，由此產生的偽隨機數用于標簽防碰撞算法是合理的。

圖4 線性反饋移位寄存器

2 ZigBee通信

ZigBee 技術具有組網方式靈活、功耗極低、電池壽命長和成本低的特點，但傳輸速率限制于（20～250）Kbps，因此常被應用于工業控制、智慧農業、智能家居、環境監測、物流追蹤等需要全天候待命并且傳輸速率要求不高的場景，是物聯網的重要技術之一。其網絡主要有星型網絡、樹狀網絡和網狀網絡三種形式。星型網絡最為簡單，但覆蓋范圍有限，且易造成網絡堵塞，此拓撲結構適合在低數據量和輪流傳輸的場景下使用；在星型網絡中增加路由節點形成樹狀網絡，其覆蓋范圍比星型網絡結構大，但多級路由會導致高延遲，并且一個路由節點失靈將導致下級節點全部失聯；網狀網絡允許不同路由節點之間的數據互相傳輸，功耗較大。考慮到奶牛狀況數據的采集可以在一天中分批次進行，不需要同時進行，數據可以輪流、間斷發送，對于路由節點或協調器的數據流量要求不高，因此采用星型拓撲結構搭建ZigBee通信網絡即可。采集節點與傳感器相連，控制節點與設備相連，每個采集節點和控制節點直接與匯總節點通信。ZigBee 模塊終端采用成都億佰特的E180-ZG120A EFR32 ZigBee 模塊，其工作頻段為2.4 GHz，內部集成功率放大器最高發射功率20 dBm，提供完整的基于IEEE802.15.4標準的ISM頻段的應用集成方案，支持ZigBee3.0的電源管理機制。

3 計步傳感器

計步傳感器內部核心為水銀開關。如圖5 所示，水銀在管中流動，每晃動一次開關就導通一次。牛脖子的運動是隨機的，因此單個方向的晃動檢測具有較大的局限性，增加其引腳可以實現不同方向的檢測。在空間中選取三維坐標用于確定其運動位置，因此增加引腳后能夠檢測三個坐標軸上的數據，采用如圖5所示的單向開關以實現來自三個方向的震動檢測。實際測試中，當水銀傳感器沿著預先定義的x軸方向晃動，x軸方向引腳的電壓會有較大波動，而y軸和z軸方向上的引腳電壓則保持穩定，相應地，y軸和z軸方向上的測試也有類似結果，從而檢測耳標在三個方向上的運動狀態。

圖5 水銀開關和單向開關。（a）水銀開關；（b）單向開關

4 設計結果

RFID標簽數字基帶設計在ModelSim下仿真，圖6為從閱讀器到標簽芯片的前向鏈路數據，解調后的數據被送入解碼模塊，其中dec_dem為解調后的待解碼信號，解碼得到的數據如data_dec所示。命令檢測模塊將校驗無誤的數據重新編碼得到cmd_id，數字基帶根據命令跳轉至不同狀態，以響應電子標簽接收的命令。完成數據處理后得到待返回的數據，根據code_sel的參數選擇Miller或FM0編碼方式在反向鏈路中傳輸至閱讀器。歐洲用于養殖的電子耳標大多低于134 KHz的低頻而高頻下的RFID穩定性更高，2 W的閱讀器可以識別的范圍為2米[6]。如圖7所示，電子標簽激活靈敏度最高達到-15.9 dBm，并且在925 MHz附近有-14.6 dBm，其反向散射靈敏度在對應頻率點也達到了-12 dBm。超高頻RFID電子標簽在（920-925）MHz頻率下工作半徑在8米內[8]，實際測試結果發現其讀距離能達到5米，寫距離大于2米，用于奶牛養殖完全可行。

圖6 ModelSim下的RTL仿真波形

圖7 標簽靈敏度測試。（a）激活靈敏度測試；（b）反向散射靈敏度測試

采用TSMC 180 nm工藝和Flip Chip封裝，數字基帶芯片面積為0.541 mm2，標簽實物如圖8所示。

圖8 奶牛耳標實物圖

5 結論

為實現現代牧場奶牛的信息化養殖和科學管理，提高國內奶牛養殖的國際競爭力，本文提出的電子耳標在超高頻RFID技術基礎上，結合ZigBee技術，用于搭建輔助奶牛營養健康檢測系統，目標在于替代Afikim等公司的昂貴解決方案，從而降低牧場養殖成本。

利用電子標簽芯片RFID技術，存儲并識別出牧場中每一頭奶牛的編號信息，且基于水銀震動傳感器為基礎設計的運動計步器用于奶牛身體狀況檢測。ZigBee技術將奶牛數據匯總至數據管理平臺，編碼中設置flag標志位與奶牛ID 對應，奶牛的ID 信息從閱讀器中經ZigBee 上傳，在處理數據時，將對應的步數數據映射到奶牛ID 信息下，完成數據匹配，根據奶牛運動狀態檢測算法，配合圖像識別和聲譜分析技術，綜合評價得到奶牛個體的體況評分數值并且將其映射到當前奶牛群體，有的放矢地配給飼料、診斷、精準養殖并提高效率。基于統一協議標準的信息化養殖系統打破了不同系統數據不兼容而導致的數據孤島問題，也給數據反饋、優化算法實現和提升系統效率打下了良好的基礎。

本文設計的電子耳標能夠滿足奶牛智慧養殖的需求，并且其設計成本僅為Afikim公司解決方案費用的十分之一，大大降低了牧場管理成本。此外，對于如何優化計步器以進一步提高其步數計算準確性，如何在ZigBee自組網中進一步提升數據傳輸的效率、提升圖像識別精確度、優化奶牛聲譜分析算法，從而給出一個更加精準的奶牛健康評測標準，有待進一步研究。